Enerji Depolama Dersi
Isı Enerjisi Depolama Yöntemleri ve Binalarda Uygulanması
Cihat DEMİREL-16360030
İçindekiler
Giriş
ISI ENERJİSİVE ISI ENERJİSİNİN
DEPOLAMASI
SIVILARDA ENERJİ DEPOLAMA
GİRİŞ
Enerji tüketimi yönünde yapılan projeksiyon çalışmaları, 2030 yılında, kurulu gücümüzün yaklaşık iki kat artacağını öngörmektedir. Enerji üretimi, genel olarak fosil yakıtlarla
karşılanmaktadır ve fosil yakıtların yanması sonucu oluşan CO2 küresel ısınmanın nedeni olarak
gösterilmektedir.
Atmosferdeki CO2 oranı, Mart 2009 verilerine göre hacimsel olarak 387 ppm olarak
belirlenmiştir. Nüfustaki hızlı artış ve enerji
talebindeki buna bağlı artışın bu hızda seyretmesi sonucu atmosfere salınan CO2 miktarı da aynı oranda artacaktır.
GİRİŞ
Uluslararası kuruluşlar bu konuda birçok çalışma gerçekleştirmişlerdir.
Ülkemizinde dahil olduğu Kyoto Protokolü de bu çalışmalardan bir tanesi olup sera gazı emisyonlarının azaltılması en önemli hedef olarak ortaya konulmuştur.
Bu emisyonların azaltılmasında, yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımının arttırılması ve enerji verimliliği çalışmaları yer almaktadır.
GİRİŞ
Binalarda enerji tüketim profili incelenecek olursa, iklimlendirme uygulamalarında
harcanan enerji,genel tüketim içinde yaklaşık %80’lik bir paya sahiptir.
Yalıtım uygulamaları, verimi yüksek ev aletlerinin ve aydınlatma sistemlerinin kullanımı ve yenilenebilir enerji
kaynakalarının binalara entegrasyonu ile bu pay azaltılmaya çalışılmaktadır.
Bu uygulamaların yanısıra ısı enerjisinin depolanması ve binalarda kullanılması da binalar için enerji tüketimini azaltacaktır.
GİRİŞ
Bu çalışmada, ısı enerjisinin depolama
yöntemleri olan sıvılarda depolama,
katılarda depolama,mevsimsel depolama,
kimyasal depolama ve faz değişimli
maddelerde depolama yöntemleri
incelenmiştir.
Bu yöntemlerin seçiminde dikkat edilmesi
gereken noktalar belirtilmiştir.
ISI ENERJİSİVE ISI ENERJİSİNİN
DEPOLAMASI
Isı enerjisi bir maddeyi oluşturan atom veya moleküllerin, kinetik ve potansiyel
enerjilerinin toplamıdır ve atomik veya moleküler titreşimler sonucu oluşur.
Isı enerjisi, maddenin iç enerjisindeki değişme ile duyulur ısı, gizli ısı, tepkime ısısı ya da tüm bunların birleşimi olarak depolanır.
Duyulur ısı depolama metodunda, depolama maddesinin sıcaklığındaki değişim sonucunda ortaya çıkan duyulur ısıdan yararlanılır.
Gizli ısı depolamasında, faz değişimi gösteren maddeler kullanılır.
ISI ENERJİSİVE ISI ENERJİSİNİN
DEPOLAMASI
Depolamaya uygun sıcaklık aralığında
depolama maddesinin faz değiştirmesiyle ortaya çıkan gizli ısı belirlenir.
Bu amaçla belirli sıcaklıklarda ergime, buharlaşma veya diğer faz değişimlerine uğrayan maddelerden yararlanılır.
Termokimyasal depolama metodunda ise ısı enerjisi bir bileşiğin bağ enerjisi olarak
depolanabilir ve aynı enerji tersinir kimyasal tepkimelerle serbest bırakılabilir.
ISI ENERJİSİVE ISI ENERJİSİNİN
DEPOLAMASI
Isı enerjisi depolaması kullanım süresine göre ikiye ayrılır. Bunlar kısa süreli depolama (gece-gündüz) ve uzun süreli
depolama mevsimlik (yaz-kış)’dır.
Kullanım amacına ve sıcaklığına göre sıcak depolama, soğuk
depolama veya her iki amaç için sıcak ve soğuk depolama yapılabilir.
Uzun dönem depolama ile hedeflenen, yazın sıcağını
depolayıp kışın kullanmak, veya kışın soğuğunu depolayıp yazın kullanmaktır.
Isı enerjisinin depolaması, enerjinin elde edilmesiyle kullanımı
arasındaki yer ve zaman farkını kapatarak, hem ısıtma hem de soğutma için alternatif çözümler verir.
Konut, sanayi, tarım ve ulaşım sektörlerinde uygulanan
depolama, elektrik enerjisi ve kömür, doğal gaz, petrol gibi fosil yakıtlardan tasarruf sağlayarak enerji verimliliğini
artırmaktadır.
ISI ENERJİSİVE ISI ENERJİSİNİN
DEPOLAMASI
Isı depolama, enerji verimliliği ve enerjinin sürdürülebilirliği açısından çok önemlidir.
Günümüzde bu konu ile ilgili çalışmalar hızla devam etmektedir ve uygulama açısından
kullanılmakta olan başlıca depolama yöntemleri aşağıda belirtilmiştir.
a. Katılarda depolama b. Sıvılarda depolama c. Mevsimsel depolama d. Kimyasal depolama
e. Faz değişimli maddelerle depolama
ISI ENERJİSİVE ISI ENERJİSİNİN
DEPOLAMASI
Depolamanın yapılabilmesi için bir ısı kaynağına ihtiyaç
vardır.
Bu ısı kaynağı bir santralin atık ısısı olabileceği gibi
güneş enerjisi, jeotermal enerji vb. ısı kaynaklı sistemler olabilir.
Güneş enerjisi zamana bağlı olarak değişim gösteren
ve kesikli yapıya sahip bir enerji türüdür.
Bu özelliği nedeni ile güneş enerjisine bağlı olarak
çalışan sistemlerin yük faktörü kesiksiz yapıya sahip enerji türlerine göre daha düşüktür.
Güneş enerjisinden elde edilen ısı enerjisinin
depolanması ile yük faktörü artmakta, bunun sonucunda da sistemlerin geri ödeme süreleri
kısalmakta ve sistemler ekonomik hale gelmektedir.
ISI ENERJİSİVE ISI ENERJİSİNİN
DEPOLAMASI
Güneş enerjisinin depolanabilmesi için genel sistem yapısında
güneş kollektörü, depolama ünitesi, iklimlendirme cihazları, ek enerji kaynakları ve kontrol sistemleri bulunmalıdır.
Bu sistemler ile elde edilebilecek iş akışkanı sıcaklığı ise güneş
ışınımına bağlılık göstermektedir.
Şekilde günlük ortalama güneş ışınımının yüke bağlı değişimi gösterilmiştir
ISI ENERJİSİVE ISI ENERJİSİNİN
DEPOLAMASI
Gelen ışınım güneşten gelen enerjiyi, faydalı ışınım ise optik ve ısıl kayıplar neticesinde faydalanılabilen enerji miktarını
göstermektedir.
Kullanım değişkenlik göstermekle birlikte şekilde gün boyunca sabit olarak
gösterilmiştir.
Kullanım doğrusunun üzerinde kalan faydalı ışınım bölgesinin depolanması ile güneş
ışınımının olmadığı saat dilimlerinde de bu enerji kaynağından faydalanılabilir
ISI ENERJİSİVE ISI ENERJİSİNİN
DEPOLAMASI
Bu depolama işleminin gerçekleştirilmesinde birçok parametre etkin olmaktadır.
Depolama işlemi için seçilecek ortam, yapılacak işlem türü ile doğrudan ilgilidir. Örneğin, su ısıtma sisteminde duyulur ısı
yolu ile depolama, hava ısıtma sisteminde ise çakıl taşı yatakları daha etkindir.
Bir binanın pasif olarak ısıtılması işleminde ısı enerjisinin bina duvarlarında depolanması
gerekir.
ISI ENERJİSİVE ISI ENERJİSİNİN
DEPOLAMASI
Bir depolama sisteminin seçiminde en önemli parametreler aşağıda belirtilmiştir.
a.Birim hacimdeki depolama kapasitesi b.Çalışma sıcaklığı
c.Depolama ünitesi içinde sıcaklık katmanlaşması d.Isının depolama ya da çekilmesi sırasındaki güç
tüketimi
e.Depolama hacminin dış malzemesinin seçimi f. Depolama hacminde ısıl kayıpların önlenmesi g.Maliyet
ISI ENERJİSİVE ISI ENERJİSİNİN
DEPOLAMASI
Buna göre, depolama ortamı seçiminde birim hacimde
depolama kapasitesi yüksek olan malzemelerin seçimi ile aynı hacimde daha çok ısı depolanabilir.
Depolama hacmine giren ve çıkan akışkan sıcaklığı, depolama
hacmi malzemesinin yapısını bozmayacak sıcaklık aralığında olmalıdır.
Isının depolama sistemine verilmesi sırasındaki güç tüketimi,
minimum düzeyde olmalıdır.
Depolama hacminin dış malzemesi, dış ortam şartlarına uygun
olarak seçilmeli ve depolama hacmindeki malzemeden etkilenmemelidir.
Depolama hacminden olabilecek ısı kayıpları sistemin
performansını düşüreceği için uygun yalıtım malzemesi ile ısı kayıplarının azaltılması gerekmektedir.
Sistem için yapılacak harcamalar, yatırımı en kısa sürede geri
ödeyebilmelidir.
SIVILARDA ENERJİ DEPOLAMA
SIVILARDA ENERJİ DEPOLAMA
Isıl enerjinin en yaygın olarak depolandığı ortam sudur.
Ülkemizde de sıcak iklim bölgelerinde
kullanım sıcak suyu için güneş kolektörleri ve depolama tankları kullanılmaktadır.
Güneş enerjisinden elde edilen ısının
depolanması sırasında, kollektör çıkış sıcaklığı ile kullanım öncesi sıcaklık arasında
depolama hacminde ve taşınım sırasında ısı kaybına bağlı olarak sıcaklık düşümü gözlenir.
SIVILARDA ENERJİ DEPOLAMA
Bir depolama sisteminde ısı kaybı sonucunda meydana gelen sıcaklık düşümleri
Bu kayıplar Şekil 2’de belirtilmiştir.
SIVILARDA ENERJİ DEPOLAMA
Güneş enejisi sistemlerinde en yaygın olarak kullanılan iş akışkanı sudur.
Sistemdeki su bir kontrol hacmi olarak göz önüne alınırsa suyun dolaşımı ile depolama hacmi de dolaşacağı için kollektörden
depolama hacmine olan taşıma kayıpları ortadan kalkacaktır.
Su dolaşımı, doğal ya da zorlanmış olarak sağlanabilir.
Doğal dolaşımda yoğunluk farkı etken kuvvet iken zorlanmış taşınımda bir sirkülasyon
pompası ile dolaşım sağlanır.
SIVILARDA ENERJİ DEPOLAMA
Herhangi bir sıvının, sabit sıcaklıkta ve sonlu bir sıcaklık farkında enerji depolama
kapasitesi,
Qd toplam ısı kapasitesini, m kütleyi, Cp sabit basınçta özgül ısıyı ve ΔT ise sıcaklık farkını belirtmektedir. Isı sığası, m. Cp olarak bilinir ve Eş. 1’de de belirtildiği gibi direkt olarak depolama hacmi malzemesi seçiminde en önemli etkendir.
olarak belirtilebilir.
SIVILARDA ENERJİ DEPOLAMA
Bir depolama hacmi için enerji denkliği
ifadesi,
şeklinde belirtilebilir.
Eş.2’nin sağ tarafındaki Qg ve Qç sırası ile
kollektörden gelen enerjiyi ve yük nedeni
ile depodan çekilen enerjiyi
göstermektedir. Son terim ise depodan
çevreye olan ısı kaybını göstermektedir.
SIVILARDA ENERJİ DEPOLAMA
Belirli bir zaman aralığı için Eş.2 integre
edilirse,
olarak bulunur.
Eş. 3’te
′ deponun belli bir zaman
sonundaki sıcaklı
ğını,𝑇𝑇
𝑑𝑑ise deponun belirli
zaman aralığındaki başlangıç sıcaklığını
göstermektedir.
• Tablo 1’de bir depo için günlük sıcaklık değişimleri belirtilmiştir. Deponun ilk sıcaklığı 60°C olup yükü karşılamak için ısı, 09:00’a kadar depodan çekilmektedir.
• 19:00’a kadar depoya ısı girişi olmaktadır ve gün sonunda depo sıcaklığı
yine 60°C olarak bulunmuştur.
Deponun en yüksek
sıcaklığı 77.7°C olarak bulunmuştur. Şekil 3’te sıcaklık dağılımı grafik olarak gösterilmiştir.
Şekil 3’te belirtildiği gibi
ısı, 09:00’a kadar
depodan çekilmektedir.
Güneş enerjisinin tekrar
devreye girmesi ile gün içinde depo sıcaklığı artmıştır ve gün
batımından sonra depo sıcaklığı tekrar azalmaya başlamıştır.
http://dergipark.gov.tr/download/article-file/254805
